DE3115869C2

DE3115869C2 - Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers

Info

Publication number: DE3115869C2
Application number: DE3115869A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Phys. Gauert; Rüdiger Dr.rer.nat. 3300 Braunschweig Rodloff; Gerald Ing.(grad.) 3252 Bad Münder Siol
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1981-04-21
Filing date: 1981-04-21
Publication date: 1983-12-29
Also published as: DE3115869A1; US4556319A; GB2097177A; FR2504270B1; GB2097177B; FR2504270A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers mit einem externen Strahlungsweg mit einem für die Strahlung des aktiven Resonanzraumes durchlässigen Eckspiegel des aktiven Resonanzraumes und mindestens zwei außen liegenden Eckspiegeln, zwischen denen ein magnetisch angeregter Körper aus einer Substanz mit magneto-optischer Wirkung als Basiselement zur Erzeugung einer Phasenverschiebung angeordnet ist. Der Eckspiegel des aktiven Resonanzraumes, der zu dem externen Strahlungsweg führt, hat dabei eine Durchlässigkeit von maximal 5 und der magnetisch angeregte Körper besteht aus einer Substanz, die in die Sättigung magnetisierbar ist. Der Körper ist vorzugsweise eine Faradayzelle, die aus einer ferromagnetischen Substanz aufgebaut ist, insbesondere einer Granatverbindung.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

d) der beiden Strahlungswegen gemeinsame Eckspiegel (22, 29) eine Durchlässigkeit von maximal 5% hat,

e) der zweite Strahlungsweg als passiver Resonator ausgebildet ist und

f) der magnetisch anregbare Körper (25, 33) aus einer Substanz besteht, die in die Sättigung magnetisierbar ist

2. Drehgeschwindigkeftssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ·: jr magnetisch anregbare Körper eine Faradayzelle ist, die mit einer ferromagnetischen Granatverbindung aufgebaut ist

3. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strahlungsweg mit Mitteln zur Längenstabilisierung versehen ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten Drehgeschwindigkeitssensor der genannten Art (GB-PS 11 41 727) ist der den beiden Strahlungswegen zugeordnete Eckspiegel halbtransparent. Der zusätzliche Stral-Iungsweg ist geschaffen worden, um im ersten Strahlungsweg möglichst viele Gasentladungsröhren unterbringen zu können, die damals nur mit geringer Leistungsfähigkeit zur Verfugung standen. Das Element aus einer Substanz mit magneto-optischer Wirkung ist bei diesem Drehgeschwindigkeitssensor eine Faradayzelle mit einem Block aus S1O2, auf den ein magnetisches Feld parallel zur Laufrichtung der Wellen eingebracht wird. Eine derartige mit einem SiÖ2-Block aufgebaute Faradayzel-Ie hat eine geringe Strahlenabsorption und ermöglicht auch hohe scheinbare Drehraten. Ein wesentlicher Nachteil besteht jedoch darin, daß sie gegen äußere magnetische Streufelder empfindlich sind.

Unempfindlich gegen äußere magnetische Streufelder sind angeregte ferromagnetische Granatverbindungen, die leicht in die Sättigung magnetisierbar sind. So ist ein Drehgeschwindigkeitssensor bekannt (US-PS 42 22 668), bei dem im Strahlungsweg, der durch das aktive Medium führt, zwischen zwei Eckspiegeln eine mit einer ferromagnetischen Granatverbindung aufgebaute Faradayzelle angeordnet ist Faradayzellen, die mit ferromagnetischen Granatverbindungen aufgebaut sind, haben jedoch eine so hohe Absorption, daß das Anschwingen des Ringlasers stark beeinträchtigt, wenn nicht unmöglich wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehgeschwindigkeitssensor der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß er gegen äußere Streufelder unempfindlich und in der Lage ist, ausreichend hohe Phasendrehungen zu erreichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale gelöst

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung näher erläutert

A b b. 1 zeigt schematisch das Schaltbild eines Drehgeschwindigkeitssensors bekannter Art

Abb.2 zeigt die Differenzfrequenz Av über der Drehrate bei Laserkreiseln.
A b b. 3 zeigt da&Prinzip einer Faradayzelle.

Abb.4 zeigt schematisch einen Ringlaser mit externem Resonanzraum mit einem Faradayelement

Abb.5 zeigt das Reflexionsvermögen R* und die Phasenverschiebung <5 als Funktion des Phasenwinkels Φ.

Abb.6 zeigt das differentielle Reflexionsvermögen Δ R als Funktion des Phasenwinkels Φ.

A b b. 7 zeigt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers.

Ein Laserkreisel, wie er schematisch in der A b b. 1 gezeigt ist, besteht aus einer Dreii,Tiegelanordnung 1,2, 3, die den Ringresonator bildet, der Gasentladungsröhre 4 als aktivem Medium, der Überlagerungsoptik 5 und den Dioden 6, die das Interferenzstreifenmuster auswerten. Die von den Dioden 6 erzeugten Signale werden durch die Pulsformer P\ und P2 in der Pulsformeranordnung 7 in Rechteckpulse umgesetzt Die Drehrichtungserkennung 8 entscheidet, ob die Pulse zu dem Inhalt des Zählers 9 hinzugezählt oder abgezogen werden. Der Zählerstand wird an einen Speicher 10 übergeben; dieser wird durch einen Abfragepuls vom Navigationsrechner 11 in diesen übernommen. Die Regelung der Resonanzraumlänge erfolgt durch die Verarbeitung des am Spiegel 3 mit Hilfe der Dioden 12 und 13 gewonnenen Summensignals Σ- Durch einen entsprechend gearbeiteten Regelkreis 14 wird ein Hochspannungsverstärker 15 gesteuert, der den Spiegel 1 über einen Piezoversteller 16 parallel zu sich selbst verstellt, so daß die optische Weglänge L (Resonanzraumlänge) konstant bleibt und damit auch die Wellenlänge Λ (Resonanzraumbedingung).

L = rn ■ λ

Pesonanzraumbedingung
m = ganze Zahl (10⁵-10⁶)

Bei ruhendem System ist auch das Interferenzstreifenmuster in Ruhe. Bei einer Drehung des Systems um die Hochachse erfahren die gegensinnig umlaufenden Wellenzüge die Laufwegänderung ±AL, die mit (1) zu Änderungen der Wellenlänge führt. Es überlagern sich

also in der Überlagerungsoptik 5 WellenzOge mit unterschiedlicher Frequenz. Das führt zu einem Durchlaufen des Interferenzstreifenmusters auf den Dioden 6 mit der Schwebungsfrequenz/lv.

Av =

AF XL

ω.

(2)

F = umlaufende Fläche
ω = Drehgeschwindigkeit

Der formale Zusammenhang (2) zeigt die direkte Proportionalität von Av und ω.

Durch die Rückstreuung an den Laserspiegeln 1, 2,3 ergibt sich eine Kopplung der beiden umlaufenden Wellenzüge und damit eine Synchronisation auf eine feste Wellenlänge bzw. Frequenz (sogenannter Lock-in-Effekt). Erst ab einer Mindestdrehrate m_L (Lock-in-Schwelle) sind die beiden Wellenzüge entkoppelt, und auf den Dioden 6 wird eine Schwebungsfrequenz Av meßbar. Diesen Zusammenhang gibt die A b b. 2 wieder. Die Nichtlinearitäten im Bereich der Lock-in-Schwelle ω/, geben Anlaß dazu, eine konstante oder periodisch wechselnde Phasenverschiebung (Bias) einzubringen, die einer Drehrate (üb entspricht, die über der Lock-in-Schwelle <ul liegt

Die Phasenverschiebung ist mit Hilfe magnetooptischer Elemente möglich. Magnetooptische Elemente führen zu einer nicht reziproken optischen Weglängenänderung ±A für die gegensinnig umlaufenden Strahlen, so daß sich nach (1) unterschiedliche Frequenzen für die Wellenzüge ergeben, wie bei einer Drehung des Systems. Ein magnetooptisches Element ist z. B. die Faradayzelle, deren prinzipiellen Aufbau die Abb.3 zeigt. Die linear polarisierte Strahlung (Ip) wird durch ein —Wellenlängenplättchen mit der schnellen Achse s

und der langsamen Achse /umgesetzt in rechts-zirkular polarisierte Strahlung (rcp), die in der Probe 17, weiche durch die Wirkung des Magnetfeldes B zirkulär doppelbrechend ist, eine Phasenverschiebung Φ/ erfährt,

die in einem weiteren —-Plättchen 19 mit den Achsen s

und / wieder umgesetzt wird auf eine Phasenverschiebung in die Ausbreitungsrichtung der wiederhergestellten linear polarisierten Strahlung Ip. Die entgegen der Feldrichtung laufende Welle erfährt die zirkuläre Phasenverschiebung — Φ_Γ. Die gesamte Phasenverschiebung A, die zwischen d"n gegensinnig umlaufenden Wellenzügen besteht, ergibt sich dann zu:

Φι—Φ_Γ

(3)

Av =

2/Γ- L
A = im Bogenmaß

(4)

Unempfindlich gegen äußere Streufelder sind angeregte ferromagnetische Granatverbindungen. Diese weisen bei einer Sättigungsfeldstärke von ca. 8000 A/m Faradaydrehungen Qf von bis zu 10 000°/cm (bei ϊ λ=0,633 μπι) auf. Die Faradaydrehung ersteht mit der Phasenänderung A im folgenden Zusammenhang.

4=Φ,-φ_Γ=2θ_Ρ (5)

in Bei einer Probendicke von 1 μπι wären also Phasenverschiebungen von 2° entsprechend einer scheinbaren Drehrate von 873°/s zu erwarten. Ferromagnetische Granatverbindungen haben jedoch eine starke Absorption, die bei im Labor getesteten Proben (Dicke c/=0,5 μπι und d=5 μm) bei ca. 4% und 33,5% der Strahlleistung liegt und damit so hoch ist daß bei der Wellenlänge von 0,633 μηι kein Anschwingen des Ringlasers möglich ist

Es lassen sich die oben genanntun Vorteile der

2(i ferromagnetischen Granatverbindung ujdurch ausnutzen, daß eine mit ferromagnetischen Granarverbindungen aufgebaute Faradayzelle in einem zweiten Strahlungsweg untergebracht wird (siehe Abb.4). Die Spiegel 20,21,22 bilden hierbei mit der Gasentladungsröhre 26 aio aktivem Medium den ersten Strahlungsweg (interner Resonanzraum). Der Spiegel 22 ist teildurchlässig und besitzt das nominelle Transmissionsvermögen Tund das nominelle Reflexionsvermögen R. Der zweite Strahlungsweg (externer Resonanzraum) mit den

jo Spiegeln 22, 23 und 24 bildet einen passiven Resonator, in dem die Faradayzelle 25 integriert ist die die Phasenänderung bewirkt, und der den Verlustfaktor Q aufweist Der Verlustfaktor Q beinhaltet Absorptionsverluste im zweiten Strahlur.gsweg. Dem optischen Weg über die Spiegel 22,23,24 bzw. 22,24,23 entspricht die Phasenlage Φ in bezug auf den Originalstrah!. Durch die Rückkopplung der Strahlung am Spiegel 22 auf den normal reflektierten Anteil ist es möglich, im ersten Strahlungsweg eine Phasenverschiebung δ einzubringen, d'e von den Parametern Φ, Q, A und T abhängt (siehe Formeln (6, 6a)). Das Reflexionsvermögen R des Auskoppelspiegels 22 ändert sich ebenfalls in Abhängigkeit von Φ, Q, A und T (siehe (6a)) und wird mit R * bezeichnet.

Das entspricht einer scheinbaren Drehrate ωβ von 73°/s bei der Wellenlänge von 633 nm. Diese Phasenverschiebung von 1, ließe sich mit herkömmlichen SiO2-Faradayzellen leicht ^nerhalb des Resonanzraumes realisieren. Ein wesentlicher Nachteil ist hier jedoch die Anfälligkeit gegen äußere Streufelder.

δ = arctg

M K)

- arctg

Bei einer Phasenäiiderung Δ von Γ ergibt sich eine Differenzfrequenz nach Formel (4) von (T = 0,6 m) 23 148Hz.

^α\^Ψ' 1) ^ß V 1)

(6)
(6a)

6Ö = α(Φ,Α)

/Q« · (VQR-cosjO + A))

1 + QR -

cos (Φ + A)

Das Reflexionsvermögen R * muß über den Wert von typisch 99% liegen, damit der Laserkreisel anschwingt und im Betrieb bleibt. Dazu ist die Kenntnis von <5 und R* als Funktion der Phasenlage Φ notwendig. Die Abb.5 verdeutlicht diesen Sachverhalt, es wurde mit

den Parametern y«= 22,5°, 7"-O₁OOS, Λ-0.995, (?-0,1 gerechnet. Es zeigt sich, daß das Maximum der eingebrachten Phasenverschiebung <5 bei Φ = 0° liegt, während das Reflexionsvermögen Ä'hier ein Minimum

AR

denn hier ist AR = O. Die Regelung ist jedoch nur bei Φ-0" sinnvoll, da hier die eingekoppelte Phasenverschiebung ö maximal ist.

Eine Stabilisierung und Auslesung des Laserkreisels kann gemäß der A b b. 7 geschehen. Die Spiegel 27, 28, 29 bilden mit der Gasentladungsröhre 30 den ersten Strahlungsweg, die Spiegel 29, 31, 32 den zweiten Strahlungsweg mit der Faradayzelle 33. Der Spiegel 32 ist teildurchlässig und die durchtretende Strahlung auf die Photodetektoren 34 und 35. Die auffallende Strahlung erzeugt der Strahlungsintensität proportionale Signale /ι und h, aus denen in einer Elektronik 39 die Summe £ und Differenz ΔΙ gebildet werden. Das Summensignal £ wird einem Regler 40 zugeführt, der einen Hochspannungsverstärker 41 ansteuert. Die in 41 erzeugte Hochspannung dient zur Regelung eines Piezoversteilers 42, der den ersten Strahlungsweg stabilisiert, indem er den Spiegel 28 parallel zu sich selbst verschiebt. Das Differenzsignal 4/ist mit der der Drehgeschwindigkeit ω proportionalen Differenzfrequenz Δν moduliert Über einen Pulsformer 43 werden Rechtecksignale erzeugt, die dann in die Drehrichtungserkennung 44 gelangen. Die Drehrichtungserkennung kann beispielsweise in der in der DE-OS 30 09 796 beschriebenen Weise erfolgen. Ein Zähler 45 summiert die Pulse auf und gibt den jeweiligen Zählerstand an den Speicher 46 weiter, von wo er durch einen Triggerimpuls vom Navigationsrechner 47 abgerufen wird.

tine Auslesung des Laserkreisels kann auch über den Eckspiegel 27 des ersten Strahlungsweges erfolgen. Weiter ist eine Auslesung an den Enden der Gasentladungsröhre 30 über Photodetektoren 34' und aufweist. Die Rechnung zeigt, daß ein Verlust Q von 0,1 gewählt werden muß, damit bei einem Auskoppelspiegel mit T- 04% das erforderliche Reflexionsvermögen R * von 99% erreicht wird. Damit außerdem das effektive Reflexionsvermögen R * für beide gegensinnig umlaufende Wellenzüge gleich ist, muß der zweite Strahlungsweg stabil sein. Das differentielle Reflexionsvermögen (für links und rechts umlaufenden Strahl) AR (siehe A b b. 6 und Gl. (7)) zeigt

ίο nur Symmetrie bei Φ =180° undi> = 0°

35' (gestrichelt dargestellt) möglich mit dem Vorteil, daß praktisch keine Energieauskopplung aus dem Ringlaser erfolgt.

Bei dem dargestellten Aiisfnhninesbeispiel erfolgt eine Regelung des zweiten Strahlungsweges durch Differenzbildung der Signale der Dioden 34 und 35 hinter den Tiefpässen 36a in einem Differenzbildner 36. Das Differenzsignal AIg wird als Steuergröße für einen Hochspannungsverstärker 37 benutzt, der einen l'iezoversteller 38 am Spiegel 31 antreibt, so daß die Länge des zweiten Strahlungsweges konstant bleibt. Mit einem zweiten Strahlungsweg wurden mit einer Faradayzelle mit eir-5^r Granatschicht, die eine Dicke von 5 μπι «?=0,665, d =■ 10", 7=0,5%) aufweist, Biaswerte von ca. 6° /s (= ca. 20 kHz) erreicht.

Prinzipeil ist es auch möglich, die Wirkung des zweiten Strahlungsweges durch ein darin angeordnetes aktives Medium zu steigern, so daß die Größe des Parameters Q in weiten Grenzen variiert werden kann. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß die Formeln (6, 6a) nur für Q ■ R<\ gelten.

In dem Falle, daß der zweite Strahlungsweg in; einer Weise aufgebaut ist, daß thermische Änderungen und sonstige Störeinflüsse die Phasenlage Φ — al:;o die optische Weglänge - nicht oder nur geringfügig ändern und diese vorliegenden Änderungen zeitlich langsam ablaufen, ist es außerdem möglich, auf eine Stabilisierung des zweiten Strahlungsweges ganz zu verachten und die am Spiegel 32 ausgekoppelten Signale zur Stabilisierung des ersten Strahlungsweges zu verwen den.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehgeschwindigkeitssensor auf der Basis eines Ringlasers mit

a) einem ersten Strahlungsweg, der durch das aktive Medium führt,

b) einem zweiten Strahlungsweg, der über einen magnetisch anregbaren Körper führt, der aus einer Substanz mit magneto-optischer Wirkung besteht und eine Phasendifferenz zwischen in entgegengesetzten Richtungen umlaufenden Strahlanteilen erzeugt und der mindestens drei Eckspiegel aufweist, von denen einer auch dem ersten Strahlungsweg zugeordnet ist und für die umlaufende Strahlung durchlässig ist und

c) Mitteln, mit denen Anteil der umlaufenden Strahfting auskoppelbar sind.